Stirlingmoottorilla aiotaan pyörittää sähkögeneraattoria aurinkovoimalassa.
Suomalaiset energiatutkijat kehittävät biostirlingiä.
Nasa suunnittelee ydinkäyttöistä stirlingmoottoria kuuasemalle.
Kaksisataa vuotta varjossa elänyt moottori on tullut muotiin.


Suomalaiset energiatutkijat kehittävät biostirlingiä.
Nasa suunnittelee ydinkäyttöistä stirlingmoottoria kuuasemalle.
Kaksisataa vuotta varjossa elänyt moottori on tullut muotiin.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede -lehdessä 12/2009

Skotlantilainen pappi Robert Stirling patentoi 1816 lämpövoimakoneen, jossa kaasu laajenee ja supistuu suljetussa tilassa ja muuttaa lämpöä mekaaniseksi työksi. Nyt näyttää siltä, että tästä moottorimaailman Tuhkimosta on lopulta tulossa prinsessa.

Stirlingmoottorin lämmönlähteeksi kelpaa mikä vain, vaikka aurinko. Ruotsalais-yhdysvaltalainen keksijä ja yrittäjä John Ericsson kehitti 1870-luvulla aurinkostirlingin.

Viime heinäkuussa yhdysvaltalaiset Stirling Energy Systems ja Tessera Solar esittelivät aurinkokone SunCatcherin, joka muistuttaa Ericssonin laitetta.


Ericsson uskoi aurinkoon

Jenkkiyhtiöiden aurinkosieppari koostuu peilistä, stirlingmoottorista ja sähkögeneraattorista. Työaine on vetyä, jonka aurinko kuumentaa 600 celsiusasteeseen. Kylmää päätä jäähdytetään vesi-glykoliseoksella samaan tapaan kuin auton moottoria. 

Yksi sieppari kehittää 25 kilowatin tehon. Yhtiöt suunnittelevat Kaliforniaan ja Texasiin voimaloita, jotka koostuvat kymmenistä tuhansista SunCatchereista ja joiden yhteinen sähköteho nousee vuoteen 2012 mennessä noin tuhanteen megawattiin.

Nykyinsinöörit seuraavat Ericssonia, joka laski, että aurinkoalueille kannattaa rakentaa 22 miljoonaa sadan hevosvoiman (75 kilowatin) stirlingiä. Yhteinen piikkiteho olisi ollut 1,7 terawattia, mutta asennetusta tehosta olisi auringonpaisteen vaihtelun takia pystytty käyttämään alle kolmasosa, ehkä puoli terawattia.

Nykyään maailma tuottaa sähköä 2,8 terawatin keskiteholla. Jos Ericssonin ohjelma olisi toteutettu, aurinkostirlingeistä saataisiin nyt yli 15 prosenttia sähköstä.


Kiinnostus heilahdellut

Ericsson perusteli suunnitelmaansa hiilen loppumisella, mutta pian löydettiin lisää fossiilisia polttoaineita. Stirlingmoottorista tuli erikoislaite, jota 1800-luvulla käytettiin jonkin verran höyrykoneen asemesta lähinnä pumppujen voimanlähteenä.

Viime vuosisadalla nousivat valtaan öljy ja tavallinen polttomoottori. Moottori, jossa polttoaine paloi sylinterin sisällä, oli pieni ja kevyt. Suuria lämmönsiirtopintoja ei tarvittu. Stirlingit jäivät erityiskohteisiin, kuten sukellusveneisiin, joissa moottorin hiljainen käyntiääni on etu.

Kiinnostus kasvoi taas 1970-luvulla, kun öljyn hinta nousi. Autotehtaatkin kehittivät stirlingejä, jotka pyörivät kaikilla polttoaineilla.

Ja taas kiinnostus lopahti, kun öljy halpeni.

Nyt suhdanne on jälleen muuttunut: stirling kiinnostaa etenkin sähkön tuotannossa.

Jos lähitulevaisuudessa jonnekin aurinkoalueelle asennetaan lukuisia - satoja tai jopa tuhansia - stirlingejä, koneiden hinta laskee. Silloin kuumakaasukoneelle löytyy markkinoita muualtakin.


Biostirling lämpökeskukseen

Uutena sovelluksena kehitetään sähkön ja lämmön yhteistuotantoa, jossa stirlingin jäähdytysvedellä lämmitettäisiin tiloja.

Meillä Suomessa on tätä nykyä tiettävästi kaksi stirlingkonetta, joita käytetään paljolti juuri yhteistuotannon tutkimukseen. Jy¬väskylässä yliopisto ja Valtion teknillinen tutkimuskeskus sekä Lappeenrannassa teknillinen yliopisto kehittävät biostirlingvoimalaa.

- Sähköteholtaan noin kymmenen kilowatin stirlingmoottori sopii hyvin lämpöyrittäjälle, kertoo sovelletun termodynamiikan dosentti Juha Kaikko Lappeenrannasta. Kaikko korostaa, että näin pystytään hyödyntämään halpaa, uusiutuvaa polttoainetta, kuten haketta.

Jyväskyläläiset taas ovat tutkineet vähän pitemmälle jalostetun polttoaineen, puupelletin, käyttöä.

Lämpöyrittäminen on paikallista tuotantoa, jota paikallinen sähköntuotanto täydentää luontevasti. Sähkö voidaan käyttää lähellä, mutta kymmenen kilowatin sähköteho kuluu helposti jo itse lämpökeskuksessa pumppuihin, puhaltimiin ja kuljettimiin. 


Biossa omat pulmansa

Käyttöä biostirlingille löytyy kaikkialla. Suomessa ja muissa teollisuusmaissa biostirlingvoimala pienentää sähkölaskua ja lisää kilpailua sähkömarkkinoilla. Monilta Aasian ja Afrikan alueilta puuttuu keskitetty sähköverkko, jolloin paikallinen tuotanto on ainoa mahdollisuus.

Tähän asti stirlingejä on käytetty lähinnä Keski-Euroopassa ja polttoaineena on ollut kaasu tai öljy. Biopolttoaine tuo omat erityisongelmansa, jollainen on esimerkiksi tuhka. Jos savukaasu on liian kuumaa, tuhka pehmenee ja tarttuu lämmönsiirtopintaan.

- Siksi biomassaa on pakko polttaa matalahkossa, esimerkiksi 1 250 asteen lämpötilassa, kuvailee ongelmaa tutkimusjohtaja Martti Aho Jyväskylän yliopistosta. - Maakaasua voi polttaa jopa 1 600 asteessa. Lämpötilan pudottaminen taas alentaa hyötysuhdetta.

Biostirlingien markkinoille tulosta tutkijat sen enempää kuin yrityksetkään eivät toistaiseksi ole antaneet vuosilukuja. Julkaistuista tutkimustuloksista päätellen kaupalliset sovellukset ovat mahdollisia muutamassa vuodessa.

- Kymmenen vuoden päästä stirlingmoottoreita käytetään yleisesti, vakuuttaa dosentti Kaikko.


Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.


Mikä on stirlingmoottori?
Klassisen stirlingin periaatteen voimme hahmottaa kuvittelemalla kaksi sylinteriä, jotka on yhdistetty kampikoneistolla. Koneisto synkronoi sylinterien liikkeet.


Siirtosylinterissä A liikkuu huokoinen siirtomäntä C. Työsylinterissä B liikkuu työmäntä D. 
* Paineistettu kaasu siirtää ylös työmäntää D, joka tekee mekaanista työtä, esimerkiksi pyörittää sähkögeneraattoria (1. tahti). Sylinterin liikkuessa kaasun paine laskee. 
* Siirtomäntä C laskeutuu alas (2. tahti). Kaasun paine laskee edelleen.
* Sitten myös työmäntä D painuu alas (3. tahti).
* Siirtomäntä C nousee ylös (4. tahti). Viilentynyt ilma virtaa alaspäin männän läpi. Ilma lämpenee taas, paine kasvaa ja kierros alkaa alusta.


Kaavio julkaistiin Tiede 2000 -lehdessä 7/1989. Se on kopioitu vuonna 1925 julkaistusta Uppfinningarnas bok  -kirjasta ja esittää Robert Strilingin alkuperäistä konetta.


Stirling poikkeaa polttomoottorista
* Stirling on "ulkopolttomoottori" eli polttoaine palaa tai lämpö kehitetään muulla tavalla sylinterin ulkopuolella. Tavallisessa polttomoottorissa polttoaine palaa sylinterin sisässä.
* Stirlingissä lämpö on siirrettävä työaineeseen sylinterin seinän läpi. Polttomoottorissa lämmönsiirtopintaa ei tarvita, koska sylinteri toimii myös polttokammiona ja savukaasut työaineena.
* Stirlingissä työaine laajenee ja supistuu, mutta ei räjähdä. Polttomoottori on "räjähdysmoottori", jossa polttoaine räjähtelee koko ajan sylinterissä.


Kuuhun atomistirling
Stirlingmoottorin lämmönlähteeksi kelpaa myös ydinreaktori. Nasa suunnittelee tulevan kuuaseman asukkaille mikroydinvoimalaa, jonka tuottamasta lämmöstä stirlingmoottori tekee sähköä.
 Polttoaineena on uraanidioksidi. Natriumin ja kaliumin seos jäähdyttää ¬reaktoria ja kuumentaa stirling-moottoria. Laitoksen teho on 40 kilowattia.

Sisältö jatkuu mainoksen alla